Como os raios começam? Cientistas finalmente desvendam o mistério

Embora a ciência já explique há muito tempo como os raios descarregam, os eventos atmosféricos precisos que os desencadeiam dentro das nuvens de tempestade continuam sendo um mistério desconcertante.

Victor Pasko e colegas da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA, deram agora um passo à frente e afirmam ter resolvido esse mistério.

A explicação para o nascimento de um raio é que fortes campos elétricos nas nuvens de tempestade aceleram elétrons, que então colidem com moléculas como nitrogênio e oxigênio. Essas colisões, por sua vez, produzem raios X, iniciando um dilúvio de elétrons adicionais e fótons de alta energia. E é essa cascata de partículas que forma a condição perfeita para que a carga acumulada na nuvem dispare na forma de um raio.

“Nossas descobertas fornecem a primeira explicação quantitativa precisa de como os raios se iniciam na natureza,” disse Pasko. “Elas conectam os pontos entre raios X, campos elétricos e a física das avalanches de elétrons.”

A equipe utilizou modelagem matemática para confirmar e explicar observações de campo de fenômenos fotoelétricos na atmosfera terrestre. Esses fenômenos ocorrem quando elétrons de energia relativística, semeados por raios cósmicos que entram na atmosfera vindos do espaço sideral, se multiplicam em campos elétricos de tempestades, emitindo breves explosões de fótons de alta energia.

A descoberta pode ajudar a viabilizar os para-raios a laser.
[Imagem: LLR]

Explosões terrestres de raios gama

O fenômeno envolvido, conhecido como explosão de raios gama terrestre, compreende as explosões invisíveis e naturais de raios X e as emissões de rádio que as acompanham. Embora as explosões de raios gama sejam comumente associadas com eventos cosmológicos, essas explosões locais, também conhecidas como “relâmpagos escuros”, foram descobertas na Terra em 1991.

“Ao simular condições com nosso modelo que replica as condições observadas em campo, oferecemos uma explicação completa para os raios X e as emissões de rádio presentes nas nuvens de tempestade,” disse Pasko. “Demonstramos como os elétrons, acelerados por fortes campos elétricos nas nuvens de tempestade, produzem raios X ao colidir com moléculas do ar, como nitrogênio e oxigênio, e criam uma avalanche de elétrons que produzem fótons de alta energia que iniciam os raios.”

Além de revelar a origem dos raios, os pesquisadores também explicaram por que os flashes de raios gama terrestres são frequentemente produzidos sem flashes de  luz e rajadas de rádio, que são assinaturas familiares de raios durante tempestades – é por isso que eles são conhecidos como raios “escuros”.

“Em nossa modelagem, os raios X de alta energia produzidos por avalanches de elétrons relativísticas geram novos elétrons-semente impulsionados pelo efeito fotoelétrico no ar, amplificando rapidamente essas avalanches,” explicou Pasko. “Além de ser produzida em volumes muito compactos, essa reação em cadeia descontrolada pode ocorrer com intensidade altamente variável, frequentemente levando a níveis detectáveis de raios X, enquanto acompanhada por emissões ópticas e de rádio muito fracas. Isso explica por que esses flashes de raios gama podem emergir de regiões de origem que parecem opticamente fracas e silenciosas em termos de rádio.”